蔡永禎，許四祥，楊宇，方建中

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

現(xiàn)代大型連鑄機(jī)一般使用數(shù)控火焰切割方法將鋼坯切割成固定的尺寸，切割過(guò)程中，熱熔鋼液向下流動(dòng)導(dǎo)致板坯底部形成一條呈冰柱狀的毛刺，影響板坯的表面質(zhì)量和輸送輥道的使用壽命?，F(xiàn)有去除毛刺方法主要有錘刀式去除法和刮刀式去除法，都具有去除效率低，噪聲大，刀具壽命低的缺點(diǎn)，無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要[1]。許四祥等[2]提出了一種等離子去板坯毛刺的新方法，在去除板坯毛刺效率上有很大提升。郝奇等[3]依據(jù)此方法采用ROS對(duì)機(jī)器人去除板坯毛刺進(jìn)行框架建設(shè)，但局限于板坯處于理想情況能取得較好效果。實(shí)際上，板坯在經(jīng)過(guò)輸送輥道輸送時(shí)往往出現(xiàn)一定程度跑偏現(xiàn)象，該去除方案無(wú)法滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，基于此，提出一種機(jī)器人結(jié)合深度相機(jī)自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃去除跑偏板坯毛刺的方法，以期望取得良好效果。

1 跑偏板坯角點(diǎn)定位

1.1 跑偏板坯角點(diǎn)定位理論

對(duì)于在運(yùn)輸中發(fā)生跑偏的板坯，機(jī)器人采用傳統(tǒng)示教方法無(wú)法完成去除板坯毛刺的工作，故考慮采用深度相機(jī)對(duì)板坯進(jìn)行三維點(diǎn)云重建，利用點(diǎn)云點(diǎn)篩選方法對(duì)板坯角點(diǎn)進(jìn)行定位，從而指導(dǎo)機(jī)器人完成去除毛刺工作。

點(diǎn)云三維重建是使用PCL點(diǎn)云庫(kù)把二維像素變換為三維空間點(diǎn)云。使用深度相機(jī)對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，灰度值代表著像素點(diǎn)到深度相機(jī)所在垂直平面的距離值，可通過(guò)結(jié)構(gòu)光直接測(cè)得。深度圖像的像素坐標(biāo)(u,v)和世界坐標(biāo)(X,Y,Z)的映射關(guān)系如圖1所示，可由此計(jì)算點(diǎn)云點(diǎn)空間坐標(biāo)。

圖1 像素坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系映射圖

由坐標(biāo)映射關(guān)系可知：

(1)

點(diǎn)云點(diǎn)的三維坐標(biāo)為：

(2)

式中：Cx和Cy為主點(diǎn)像素坐標(biāo)，fx和fy為像素表示的焦距長(zhǎng)。

為了獲取所需角點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行篩選。利用點(diǎn)云識(shí)別順序可以對(duì)點(diǎn)云點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)篩選，點(diǎn)云的掃描識(shí)別是自左而右，自上而下的進(jìn)行掃描工作的。其每下一點(diǎn)相較于前一點(diǎn)的坐標(biāo)都有著明確的大小關(guān)系，可以利用此特性，進(jìn)行板坯角點(diǎn)的點(diǎn)云點(diǎn)篩選。

在確定了點(diǎn)云三維重建原理，以及點(diǎn)云排布順序原理兩種原理后，設(shè)計(jì)角點(diǎn)定位算法流程如圖2所示：

圖2 角點(diǎn)定位算法流程示意圖

(1)使用深度相機(jī)對(duì)板坯進(jìn)行深度掃描，并完成點(diǎn)云三維重建；

(2)利用點(diǎn)云排布順序原理根據(jù)點(diǎn)云點(diǎn)坐標(biāo)的篩選識(shí)別板坯的一個(gè)角點(diǎn)；

(3)更改點(diǎn)云掃描區(qū)域，找到位于板坯兩角點(diǎn)連線上的一中間點(diǎn)；

(4)利用之前已知條件，進(jìn)而得出第二角點(diǎn)。

1.2 跑偏板坯第一角點(diǎn)定位

如圖3所示，深度相機(jī)三維重建的是板坯上表面的點(diǎn)云，因此對(duì)于跑偏板坯,只需要找到其在世界坐標(biāo)系下Y坐標(biāo)最大值，對(duì)于正常狀態(tài)下的板坯，其邊線P上的任一點(diǎn)都是其Y軸最大值點(diǎn)，這些點(diǎn)中X坐標(biāo)最大值一定是其右角點(diǎn)。所以，當(dāng)板坯正常狀態(tài)或者左跑偏狀態(tài)，定位算法可以定位其右角點(diǎn)。當(dāng)板坯右跑偏時(shí)，定位算法定位左角點(diǎn)。

圖3 跑偏板坯第一角點(diǎn)定位示意圖

具體篩選方法的部分python代碼如下：

k=points_arr

#設(shè)定初始點(diǎn)云識(shí)別數(shù)組。

a=k[0][0],b=k[0][1],c=k[0][2]

#設(shè)定初始點(diǎn)。

for i in range(len(k)):

#設(shè)定關(guān)于k[i]的循環(huán)。

m=k[i][0],n=k[i][1],q=k[i][2]

#設(shè)定m,n,q為第i點(diǎn)的x,y,z值。

if k[i][0]-d:

#設(shè)定點(diǎn)云識(shí)別閾值d.

if(m>=a or n>=b):

p=k[i]

#當(dāng)下一點(diǎn)x或y值大于前一點(diǎn)，繼續(xù)循環(huán)。

1.3 跑偏板坯的第二角點(diǎn)定位

以左偏狀態(tài)板坯為例，如圖4(a)所示，通過(guò)改變第一角點(diǎn)定位方法中的閾值d,可以得到在指定區(qū)域N中一個(gè)滿足篩選條件的點(diǎn)B.顯然，所得出的點(diǎn)是位于邊線上的中間點(diǎn)。

如圖4(b)所示，根據(jù)第一角點(diǎn)A與中間點(diǎn)B，得出一個(gè)邊線向量AB，最終以通過(guò)角點(diǎn)A，中間點(diǎn)B，以及板坯寬，即可得出第二角點(diǎn)C.

圖4 左偏板坯定位示意圖

2 跑偏板坯去除毛刺仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)定位算法，采用一個(gè)仿真方案來(lái)證明算法的可行性。

設(shè)計(jì)仿真采用ROS機(jī)械臂控制系統(tǒng)，ROS機(jī)械臂控制系統(tǒng)一般以MoveIt架構(gòu)為核心，其中主要包含了MoveGroup類，傳感器與位置控制器相關(guān)接口，python、c、c++算法的MoveIt_commander接口以及RVIZ可視化接口，參數(shù)服務(wù)器接口等。其中傳感器與位置控制器相關(guān)接口主要獲得關(guān)節(jié)信號(hào)，并發(fā)送給MoveGroup類進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解及規(guī)劃軌跡[4-6]。其設(shè)計(jì)流程如圖5所示，具體流程如下：

圖5 仿真流程示意圖

(1)構(gòu)建板坯去毛刺的三維模型并導(dǎo)入urdf，在ROS中插入深度相機(jī)組件，并配置深度相機(jī)位置精度等參數(shù)，將urdf文件轉(zhuǎn)化為xacro模型文件。

(2)進(jìn)行MoveIt-Gazebo仿真，完成跑偏板坯去毛刺的系統(tǒng)架構(gòu)。

(3)利用確定的點(diǎn)云定位原理定位兩角點(diǎn)。

(4)機(jī)器人接收角點(diǎn)信號(hào)，對(duì)兩角點(diǎn)進(jìn)行笛卡爾運(yùn)動(dòng)。

2.1 基本模型的搭建

在Solidworks中繪制模型如圖6所示，并將模型轉(zhuǎn)換成urdf文件，urdf文件是一種適用于機(jī)器人仿真的特殊模型文件[7-8]。

圖6 機(jī)器人工作站示意圖

2.2 深度相機(jī)的配置和點(diǎn)云三維重建

使用深度相機(jī)進(jìn)行仿真點(diǎn)云三維重建，深度相機(jī)包含感知深度的IR紅外發(fā)射和接收器，另外還有一個(gè)RGB傳感器用于感知RGB圖像[9-10]。根據(jù)RVIZ可視化界面內(nèi)的板坯點(diǎn)云的生成效果，調(diào)整深度相機(jī)至合適位姿，完成整體仿真的配置工作。聯(lián)合仿真界面如圖7所示。

圖7 聯(lián)合控制相應(yīng)配置

2.3 基于ROS的角點(diǎn)定位算法的仿真

通過(guò)角點(diǎn)識(shí)別算法，獲得兩角點(diǎn)位置信息。利用mark標(biāo)記顯示獲取的角點(diǎn)，對(duì)位置信息進(jìn)行檢驗(yàn)?？梢暬缑骘@示如圖8所示。如圖可知，兩個(gè)角點(diǎn)在仿真界面中成功識(shí)別。

圖8 角點(diǎn)定位顯示圖

為了驗(yàn)證算法對(duì)不同姿態(tài)板坯定位的穩(wěn)定性，分別驗(yàn)證正常，左偏，右偏情況下得出的角點(diǎn)坐標(biāo)以及角點(diǎn)顯示如圖9所示：

圖9 角點(diǎn)定位驗(yàn)證圖

經(jīng)過(guò)程序的反復(fù)試驗(yàn)，角點(diǎn)定位算法可以在仿真界面下成功定位三種狀態(tài)下的板坯角點(diǎn)。

2.4 機(jī)械臂軌跡規(guī)劃

根據(jù)定位的兩個(gè)板坯角點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人切割路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃。

機(jī)械臂需要根據(jù)所識(shí)別的兩個(gè)角點(diǎn)規(guī)劃去除工作，調(diào)用Move Group規(guī)劃組，讓機(jī)械臂到達(dá)工作初始位置，在終端接收點(diǎn)云話題以及定位程序發(fā)布的角點(diǎn)話題，機(jī)器人成功識(shí)別角點(diǎn)的位置信息。對(duì)識(shí)別角點(diǎn)的位置保留一定余量并調(diào)整rpy參數(shù)保證割炬切割到下邊線且不碰撞到板坯。執(zhí)行程序，機(jī)械臂自主運(yùn)行到下端第一角點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械臂在不加任何約束從第一角點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到第二角點(diǎn)情況下，機(jī)械臂將隨機(jī)運(yùn)動(dòng)到第二角點(diǎn)，與實(shí)際所需的切割直線的目的不相符，需要對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行約束。

使用笛卡爾運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法進(jìn)行規(guī)劃約束，規(guī)定板坯下端邊線路徑的自主直線插補(bǔ)，笛卡爾軌跡規(guī)劃原理是為末端執(zhí)行器設(shè)定目標(biāo)的位姿，通過(guò)將一段軌跡拆分成若干個(gè)短路線，達(dá)到直線運(yùn)動(dòng)的目的[11-12]。機(jī)械臂成功規(guī)劃一條運(yùn)動(dòng)軌跡。

當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)移動(dòng)到第一角點(diǎn)，結(jié)合笛卡爾運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，在無(wú)碰撞板坯前提下，將兩角點(diǎn)之間距離拆分成若干小段直線距離，成功完成板坯毛刺的去除，切割軌跡示意圖如圖10所示,由圖可知，機(jī)械臂成功切割跑偏板坯下端，切割過(guò)程自主化，切割線性程度高，且與切割軌跡與識(shí)別出的上邊線平行，可以證明實(shí)驗(yàn)方法基本實(shí)現(xiàn)跑偏板坯去毛刺的工作目的。

圖10 機(jī)械臂去跑偏板坯毛刺示意圖

利用rqt_plot工具，添加終端關(guān)節(jié)狀態(tài)話題，生成的rqt分析圖像如下圖11所示，圖像顯示出機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度變化平緩，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。

圖11 rqt分析圖

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)今板坯去毛刺方法無(wú)法適應(yīng)跑偏狀態(tài)下板坯毛刺去除工作，設(shè)計(jì)一種結(jié)合深度相機(jī)的板坯角點(diǎn)定位方法。通過(guò)深度相機(jī)掃描板坯，進(jìn)行跑偏板坯點(diǎn)云三維重建，利用點(diǎn)云排布原理篩選得出跑偏板坯第一角點(diǎn)，改變篩選閾值得出中間點(diǎn)，利用向量計(jì)算得出第二角點(diǎn)，成功識(shí)別跑偏板坯的兩個(gè)角點(diǎn)。

通過(guò)笛卡爾運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及執(zhí)行。通過(guò)上述所有流程，完成了在ROS平臺(tái)下針對(duì)跑偏板坯去毛刺的自主規(guī)劃執(zhí)行仿真。為機(jī)器人去板坯毛刺提供新的思路。